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鈦合金車削加工的基本原理

來源:鈦棒,鈦板,鈦管,鈦絲,鈦設備,鈦合金,鈦材 發布時間:2015-10-26 11:20:13

首先,鈦合金的彈性模數小,其中TC4的彈性模量E=110GPa,約為鋼的一半,而且導熱性低,因而由切削力所引起的被加工件彈性變形大,同時在加工過程中會產生較高和較集中的切削力。這樣就容易產生振動而導致切削時出現震顫,降低工件精度,因此要改善加工系統的剛性。其次,鈦合金在切削加工中所產生的局部高溫,使鈦很容易吸收大氣中的氧和氮,從而形成又硬又脆的外皮。這就會造成工件加工表面的加工硬化現象,而且加工硬化速度快,使得刀具表面產生嚴重的劃痕,容易在切削過程中產生崩刃現象。除此之外,鈦合金材料本身的物理和化學性能使其切削加工時與工件親和力大,切削加工時刀具與工件接觸時易產生黏刀現象,增大了刀具與工件間的摩擦,產生大量的切削熱。由此產生的大量切削熱無法及時通過切屑散發出去,大大降低了刀具的使用壽命。因此加工鈦合金的刀具必須具備高熱硬度。

這里的鈦合金加工可以被看作是一項系統工程,需要從加工設備、切削刀具、切削參數、冷卻液等多個角度進行考慮。就加工設備而言,鈦合金加工需要機床加工性能好,冷卻充分,所以加工設備選擇加工精度較高的數控車床,加工時主軸震動極小加工穩定性好。用于鈦合金加工的刀具材料的硬度及耐磨性要好,具有極好的耐熱性、在高溫下能保持較高的強度及韌性,以及一定的抗沖擊性和抗破壞性。滿足以上要求的刀具有:陶瓷刀具、涂層硬質合金刀具、立方氮化硼刀具(CBN)及類金剛石刀具(PCD)等。其中涂層硬質合金刀具價格低廉,且具有良好的導熱性和較高的硬度,在紅硬性和韌性等方面也表現出色,雖然比陶瓷、立方氮化硼刀具(CBN)、類金剛石刀具的耐熱性和化學穩定性要差一些,但比陶瓷和類金剛石刀具具有較高的抗沖擊性和抗破壞性。因此已成為加工鈦合金的首選刀具。

隨著航空航天領域發動機產品的更新換代,鈦合金的使用比重越來越大:鈦合金憑借優異的綜合力學性能、密度小、抗腐蝕性強等特點,成為飛機發動機理想的制造材料。在航空發動機燃油控制系統中,鈦合金已逐步取代耐熱鋼、不銹鋼等材料,成為各類連接件、緊固件等部件的首選材料。但同時,鈦合金的硬度高、耐磨性高等特點也給加工帶來了極大的挑戰,尤其是切削刀具,因鈦合金的切削性差而導致刀具磨損快等加工難題頻繁出現,嚴重影響了加工精度和效率。因此,中航西控主要通過對鈦合金材料切削加工性能的分析,選用合理的加工刀具,確定較優的切削參數和加工工藝,來找到適合在數控車床上對鈦合金軸類零件進行粗加工和精加工的有效途徑。

目前,許多機床制造大型鋁合金等輕金屬高效高速加工數控機床,如果是用于高溫合金等高強度鋼,不銹鋼制品加工,鈦和航空航天等難加工金屬材料具有高強度和高硬度達到加工顯然是不合適的,雖然它也可以被切割的硬質合金材料,但其切削效率往往是不可接受的。主要原因是:正如前面所提到的硬質合金材料,鈦和其他處理需要較大的切削力,或需要高扭矩主軸,高效高速數控機床主軸通常用于鋁等輕金屬切削扭矩多數小于100nm,一般不超過200nm,沒有硬質合金高效加工鈦和能力材料切割。如前所述,加工鈦合金等硬合金材通常僅允許使用較低切削速度,即僅能使用較低主軸轉速,而典型用于鋁合金等輕合金材的切削加工的高效高速數控機床主軸轉速范圍和目前鈦合金材加工工藝要求不相適應。因此,對用于鈦合金材加工的數控加工機床結構、剛性、動態特性、主軸與坐標驅動、冷卻系統、刀具與刀具接口以及控制系統等許多關鍵數控部件的設計制造都提出了新要求。主要包含如下若干方面基本要求。

的各種屬性使之成為具有強大吸引力的零件材料,但其中許多屬性同時也影響著它的可加工性。工業中常用鈦合金為兩相鈦合金,即(α+β)鈦合金,在航空發動機燃油附件中常用TC4、TC6,其中TC4是這類合金的典型代表。鈦合金材料硬度高、切削性能差,且易產生加工硬化現象,給切削加工帶來了困難。針對鈦合金中TC4這類材料的零件,尤其是車削加工工藝,中航西控做了較為深入的研究,并取得了一些經驗。在車削參數方面,鈦合金加工也是需要更多考量的。如切削速度的設定,過高的切削速度會導致切削熱升高,刀具切削刃過熱、粘結現象嚴重,刀具磨損加重,會縮短刀具使用壽命;同時會導致鈦合金工件表層開裂或氧化,影響工件的力學性能,所以應在保證較大的刀具耐用度下,選擇適當較低的切削速度,降低加工成本并保證加工質量。其次是切削深度的設定,因鈦合金工件加工前須進行預備熱處理,使得工件表面有一層氧化層,為提高刀具的耐用度應采用相對較大的切削深度,可以直接切入鈦合金機體未氧化的金屬層,提高刀具使用壽命。另外一個參數設定時需要考慮的是進給量,進給量的大小對產生切削溫度的大小影響不是很大,在保證加工效率的前提下,減小切削速度增大進給量是合理的切削方式。為保證加工質量及提高刀具的耐用度,還應考慮到冷卻液的使用,比如要充分對加工區域進行冷卻,冷卻液不僅可以有效降低切削溫度,還可以減少切削時對刀具的黏結現象,提高效率,延長刀具使用壽命。

從金屬切削加工基本原理可知,對金屬材銑削加工時有:mrr = aeapzfZ n×10-3 = PS×MRF(cm3/min) (1)從式(1)與(2)可看出,為取得高金屬切除率mrr,作為鈦合金材HEM-HSM加工的數控機床之主軸首先應具有足夠高的功率。目前,對鈦合金材(Ti-6-4)主軸功率指數SPF典型為0.06kW/cm3?min-1,為典型鋁合金材的4倍。在實際工業生產中,綜合考慮到刀具使用壽命、機床特性、加工精度和加工質量等諸多因素的約束,目前銑削鈦合金材(Ti-6-4)所能取得的金屬切除率mrr約40~700cm3/min(典型100~400cm3/min),僅為鋁合金材的5~10%。因而,加工鈦合金材時所需的主軸功率可能反而比加工鋁合金材時低,盡管其SPF高于鋁合金材。加工如鈦合金材時主軸功率為22.5kW,而加工如鋁合金材時主軸功率為70 kW比較合適的。目前,用于鈦合金材零件HEM-HSM切削加工的數控MC機床,其典型主軸功率為30~60kW,并呈現出逐年提高的趨勢,目前最高已超過100kW。同時,由式(3)可看出:對確定主軸功率,為取得大切削力(高轉矩),則應采用較低主軸轉速(較低切削速度),或說要求主軸能提供足夠高的額定功率/轉速比,通常要求大于0.1。這就要求作為鈦合金材HEM-HSM加工的數控機床之主軸額定轉矩應不低于1,000Nm數量級。主軸特性曲線趨勢放大。通常,對鈦合金材HEM加工時要求主軸轉速低于1,000 r/min,典型為200~400 r/min,要求主軸轉矩300~1,500Nm;HSM加工時典型主軸轉速為3,000~8,000r/min,典型轉矩為80~250Nm。高效加工(HEM)新型鈦合金材(Ti-5-5-5-3)或航空高溫合金材則要使用更低主軸轉速,甚至低于100r/min,要求主軸能提供更大轉矩,甚至超過2,000~3,000Nm。右圖給出了目前用于鈦合金材HEM-HSM加工時較理想的主軸功率/轉矩-轉速特性曲線趨勢。顯然,這是一種高功率高轉矩寬低轉速調控的主軸特性曲線,和用于鋁合金材HEM-HSM加工的高功率高轉速寬轉速調控的主軸特性曲線有明顯不同。正因為這種明顯差別,有人形象地將鋁合金材HEM-HSM加工機床比喻為F1賽車,而將鈦合金材HEM-HSM加工機床比喻為重型推土機。

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